自校准红外光谱仪的辐射定标与外场应用

凌 玲, 郝小鹏, 谢臣瑜, 孙彦东,宋 健, 司马瑞衡, 周晶晶

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都610059；2.中国计量科学研究院热工计量科学研究所遥感实验室，北京100029)

1 引 言

辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术[1],其中辐亮度是影响辐射定标精度的重要因素,因此有必要采用高精度的定标仪器保证对地物辐亮度的高精度测量。而红外光谱仪的工作频带宽,具有扫描速度快、分辨率高和重复性稳定的优点,常用来做高精度的红外测量。但在使用过程中,探测器接收到的数据容易受物体辐射、空气、温度等外界因素的影响,产生温度漂移,影响测量的稳定性和准确性,因此对光谱仪进行辐射定标有着客观的现实意义。

一些科研机构对辐射定标方法[2～5]进行研究,例如昆明物理研究所采用SR800-R面源黑体对长波红外高光谱成像光谱仪进行实验室两点线性定标,定标后的结果与德国BRUKER OPAG33测得的结果吻合较好[6];中国电子科技集团公司第四十一研究所提出一种分区多点标定的方法对红外光谱辐射计进行辐射定标,定标精度优于1.50 K[7];中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出了一种基于内、外定标修正的方法对大口径、宽动态范围红外测量系统进行辐射定标,反演得到黑体辐亮度最大误差为1.35%[8]。分析上述文献可知,辐射定标方法均是根据仪器自身特性确定,自校准红外光谱仪采用线性定标的方法对仪器进行辐射定标。

本文对研制的外场红外光谱仪进行了光谱范围、光谱分辨率及光谱稳定性等指标的测量,采用两点法和多点法对光谱仪进行辐射定标[9],通过采集标准辐射源的数据,用实验室绝对定标的方法建立仪器输出量与理论值之间的定量关系,并进行不确定度分析。在北方重工实验基地开展外场实验,测量沙地的红外光谱特性,根据测得结果分离出地表发射率,验证了红外光谱仪在外场应用的可靠性。

2 实验室定标与不确定度分析

2.1 测量装置的设计

红外光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成[10],其主要功能是实现被测目标的光谱探测。采用棱镜平动式傅里叶红外干涉分光方式,使进入系统的地物红外辐射产生自调制,形成红外波段的干涉信号,干涉信号经过模拟信号处理、A/D转换后再经过高速以太网传输到显示控制器或PC中,实现实时数据显示、储存和处理,并通过人机交互方式实现测试过程的控制[11]。光谱仪的整体结构如图1所示。

图1 红外光谱仪整体结构图Fig.1 Overall structure of infrared spectrometer

为满足外场的环境条件,在光谱仪前端设计了2个腔式黑体,分别为高温黑体和环境温度黑体。双温度黑体能使仪器实现实时的辐射定标,可有效降低环境温度带来的影响,提高测温准确度。经装置测量得到高温黑体和环境温度黑体的法向发射率均值分别为0.998 5和0.998 6,光谱范围为3～14 μm,光谱分辨率与稳定性分别优于1.68 cm-1和0.020 cm-1。

2.2 实验室定标

采用近距离扩展源法[12,13]实现数据采集。将黑体放置在镜头前,覆盖住整个系统的光学入瞳后采集数据,该方法能实现对光学系统和红外探测器的一体化辐射定标。实验所用面源黑体发射率为0.991 2,采用两点法和线性多点法建立光谱仪测量值与理论值之间的响应关系,从而对光谱仪进行辐射定标,得到定标系数与热辐射偏置。

2.2.1 两点定标

通过对温度范围内较低温度点和较高温度点两个温度点数据的采集,建立光谱仪测量值与理论值之间的响应关系,从而对光谱仪进行黑体辐射定标,得到各温度下的辐射响应度和偏移量。

两点定标的方程可以表示为:

SC(λ,T)=K(λ,T)LC(λ,T)+N(λ,T)

(1)

SH(λ,T)=K(λ,T)LH(λ,T)+N(λ,T)

(2)

式中:SC(λ,T)和SH(λ,T)分别为较低温度和较高温度下光谱仪变换后的响应值;K(λ,T)为光谱仪的线性响应度即定标系数;N(λ,T)为光谱仪自身内部结构所产生热辐射的偏置;LC(λ,T)和LH(λ,T)为较低温度和较高温度下某波长的辐亮度的值。

通过式(1)、式(2)可以求得2个未知数K和N,由此得到定标后的波段辐亮度为:

(3)

2.2.2 线性多点定标

与两点定标不同的是,线性多点定标设置了多个温度点,增大了样本基数,极大幅度减小了因采样数据量小、随机性大而产生的误差。线性多点定标需要将多个温度点测得的辐亮度值和理论值进行线性拟合,其表达式为:

Sn(λ,T)=K(λ,T)Ln(λ,T)+N(λ,T)

(4)

从理论上来说,n的值越大线性响应系数K的值就会越好,即对光谱的校准效果越好,但是从实际操作上不能无穷取数,因此采集适当多个温度点的辐亮度值,通过方程对多元线性方程求解,得到定标系数和热辐射偏置2个系数,求解公式为:

K(λ,T)=

(5)

(6)

2.3 数据分析

从大气传输效率看,8～14 μm红外波段是系统观测地面目标热辐射最理想的工作波段,因此选取8～14 μm波段进行数据分析。以每1 μm为间隔,得到某固定波长下的线性拟合系数。

两点定标时取较低温度283.15 K和较高温度323.15 K的2组数据进行线性拟合;线性多点定标在283.15～323.15 K温度范围内,以每5 K为一间隔取,将采集到的9组数据建立线性方程求解,得到定标系数和热辐射偏置2个系数。结果见表1所示。

表1 2种方法拟合系数Tab.1 Fitting coefficients of the two methods

由表1可看出,2种方法的响应度均较高,定标效果较好。多点定标的拟合程度R2较高,均达到了0.999以上,最大ΔK和ΔN分别为0.007和0.102(@12 μm)。为了进一步评价两点定标和多点定标的精度,采取内插法和外插法进行评估。内插法温度选取313.15 K和318.15 K,外插法温度选取328.15 K和333.15 K,由理论温度下的辐亮度通过定标方程计算得出测得的辐亮度值,再将测得的辐亮度值反演出辐亮温,结果见表2。

表2 两种方法定标结果比较Tab.2 Comparison of calibration results of the two methods

由表2可知,两点定标和多点定标所测得辐亮度和辐亮温差值均较小,辐亮度最大偏差为0.06 mW/(sr·m2·μm),对应的辐亮温偏差为0.56 K,说明采用两点法足以满足仪器的自定标,保证长期测量精度。

2.4 不确定度分析

不确定度主要的贡献来源包括由定标黑体辐射源引入的腔体温度、环境温度、发射率精度[14]以及红外光谱仪引入的测量重复性、自校准时的光路切换瞄准和线性拟合。

其中定标黑体发射率和精密温度传感器由计量证书给出不确定度的贡献值。红外光谱仪的测量重复性主要是对照标准黑体辐射源,在黑体辐射源温度稳定后,进行黑体的温度测量。具体操作为:选用标准黑体作为自校准红外光谱仪的目标测量辐射源,黑体口径大于φ60 mm,将仪器的几何中心对准黑体辐射源的正中心,仪器和黑体进行通电预热,预热时间不少于30 min,在温度点283.15,303.15,333.15 K分别测量10～15 min,计算其结果的标准偏差得到不同温度点下的测量重复性。

自校准的不确定度主要体现在高低温黑体自定标时,光路的切换瞄准和采用线性两点法拟合上,其中光路的切换瞄准为B类不确定度贡献,可通过估算的方法得到;线性拟合不确定度使用A类不确定度方法分析,通过计算得到。表3为各不确定度分量汇总表。

最终的合成标准不确定度由上述不确定度的贡献项通过计算得到,计算式为:

(7)

表3 不确定度分析Tab.3 Uncertainty analysis

3 外场应用

仪器在外场工作时用内置的双温度黑体自校准模式进行自定标。上电后打开设备连接通讯,将步进电机的扫描镜相对当前位置旋转10°,调整后步进电机位置为14°,以32次/s的扫描速率进行扫描。温度部分会显示当前的环境温度,高温黑体会逐渐加热到设定温度,此时的图像是未定标的原始数据,高温黑体温度达到设置温度附近时,设备会自动开始定标;定标结束后图像会自动载入最新的定标系数,变为正常数值,实时显示目标定量化的光谱信息。

通过对目标场地的红外亮温和光谱辐射特征长期自动观测,获取目标场地的离地辐亮度和大气下行辐亮度,结合温度和发射率分离(temperature and emissivity separation,TES)算法,最终得到目标场地的温度和发射率结果。

3.1 TES应用

在北方重工实验基地开展了光谱仪的外场实验,该场地属于国家科技部高分辨率遥感综合定标场,场地地表类型为沙地。本次实验的海拔高度约为1 300.3 m,测量的地表类型为沙地,以细沙为主,含有少量干草。选取目标场地后架设仪器,将光谱仪置于铝型材架上,考虑到光谱仪视场角为2°,铝型材架整体高度约为1.2 m,如图2所示。

图2 光谱仪测量镀金漫反射板Fig...2 The spectrometer measures the gold-plated diffuse reflector plate

测量时,光谱仪需要在测试前通过内置黑体进行两点定标的自校准,得到定标系数后再通过45°镀金反射镜的切换实现对地观测。根据光谱仪的参数设置,稳定后取30 s时间内测量地表得到的平均值作为该点的地表辐亮度。利用红外光谱仪进行近地面辐射测量时,红外光谱仪接收到的光谱辐亮度可以表示为:

(8)

近地表测量,忽略大气透过和上行辐射,可简化为:

(9)

(10)

利用间接法测量大气下行辐射,采用测量镀金漫反射板的方式来近似获取大气下行辐亮度,金板的反射率为0.96,放置在与地物目标相同的位置上,以相同的对地观测的角度测量红外标准板。配合接触温度计得到金板表面的实际温度值,可以算出金板自身的辐射量值,此时光谱仪测量金板的辐亮度减去金板自身的辐射亮度的值,便可近似为大气下行辐射亮度:

(11)

式中:LG(λ)表示光谱仪测量镀金漫反射板时的辐亮度;εG为镀金漫反射板的光谱发射率;TG为镀金漫反射板的表面温度;B(λ,TG)表示温度为TG的黑体向外发射的光谱辐亮度。测量结果见图3。

在红外光谱仪的数据处理中,采用光谱迭代平滑温度和发射率分离(iterative spectrally smooth temperature-emissivity separation,ISSTES)算法[15～17]来实现场地地表温度和光谱发射率的分离。

ISSTES算法是基于大气下行辐射光谱相对于典型的地表发射光谱更加粗糙这一公认理论建立评价函数。测量地表发射率时,大气下行辐射的引入会使得测得的地表发射率光谱变得较粗糙,因此采用光谱平滑迭代算法降低发射率光谱粗糙度,使得地表发射率光谱变得更平滑。该算法通过在小范围内改变地表温度值,计算出一系列的光谱发射率曲线,选择最平滑的曲线作为场地真实特性的地表发射率光谱。该算法的精度主要与给定的地表温度初始值及迭代的温度间隔有关。在判定过程中,采用平滑度指数来评价光谱发射率曲线的平滑度:

(12)

式中:εn,m表示光谱点n第m次迭代计算的光谱发射率;STDEV表示标准差计算。

本实验采用ISSTES算法,设置不同的温差间隔,对场地发射率进行光谱平滑迭代,可以有效提高场地发射率光谱测量的精度。根据算法流程,首先设置初始温度值,在外场测量时利用便携式测温仪测试地表温度为295 K左右,因此初始温度设置为293.15 K,设置温度间隔为1 K,温度范围在288.15～298.15 K之间,经过11次迭代选择292.15 K温度点的数据作为第一次迭代的结果。经过3次迭代后将温度限定在0.10 K的精度范围内,以292.25 K作为中心温度点,在±0.05 K之间以0.01 K间隔进行4次迭代,得到场地的温度结果为292.23 K,最终得到的包头场地地表光谱发射率和温度的结果如图4所示。

图4 第4次迭代地表光谱发射率结果Fig...4 Surface spectral emissivity results of the fourth iteration

由图4可见,该处沙地的地表发射率在0.82～0.98之间,在8.0～9.5 μm波段有较为明显的波谷,随后在9.5～10.5 μm波段发射率快速上升,10.5～12.0 μm波段发射率上升速率变得平缓。

3.2 定标精度与稳定性分析

用外场自校准红外光谱仪和多通道红外辐射计[18]测量同一片场地目标,将2种仪器测量分离的场地目标发射率进行比较,从而验证仪器测量的精度及稳定性。

采用标准黑体辐射源对多通道红外辐射计进行辐射定标时,不确定来源主要包括两部分:定标时采用的黑体辐射源以及红外辐射计自身引入的不确定度[19],最终合成标准不确定度为0.27 K。

在处理观测数据时采用多通道温度与发射率分离(multi-channel temperature and emissivity separation,MTES)算法进行反演计算,MTES算法包括了3个模块:发射率归一法、光谱比值法和最大最小发射率插值法。首先根据仪器的测量结果输入各通道的离地辐亮度和大气下行辐亮度,利用发射率归一法估算各通道的温度和发射率,再利用光谱比值法将通道发射率与所有通道发射率的平均值相除,计算得到与温度无关的相对发射率,最后利用最大最小发射率插值法计算获得最小发射率,最终获得各个通道的发射率与温度。

多通道红外辐射计有8～9、10～11、12～13、8～13 μm四个通道,已知各通道的光谱响应函数Rk(λ),将测量得到的光谱发射率与光谱响应函数进行积分,获得各通道下的发射率εk:

(13)

将积分获得的各波段下响应光谱发射率εk与MTES算法计算得到的红外辐射计发射率对比,比较结果见表4所示。

表4 场地发射率结果比较Tab.4 Comparison of site emissivity results

由表4可以看出,采用MTES算法和ISSTES算法获得的积分波段内响应光谱发射率具有较好的一致性,其中12～13 μm波段内的发射率偏差最大,最大偏差值为0.008,该偏差值在仪器的反演精度范围内,也进一步说明测量结果的准确性。通过对比2种仪器和不同TES分离算法的结果进行对比,验证了场地发射率结果具有较高的一致性,说明自校准红外光谱仪能够有效开展外场实验。

4 结 论

采用光谱分辨率与稳定性分别优于1.68 cm-1和0.020 cm-1的自校准红外光谱仪进行实验室定标和不确定度分析工作,得到合成不确定度优于0.22 K。

在8～14 μm波段用两点法和多点法对测量得到的辐亮度值进行定量分析,两种方法拟合度都在0.999以上,辐亮度最大偏差为0.06 mW/(sr·m2·μm),对应的辐亮温偏差为0.56 K。通过对两种方法的定标结果的分析,验证了光谱仪内置的双温区黑体采用的两点定标原理可以实现光谱仪的自校准,保证测量精度。

开展外场实验分离出场地温度和发射率,通过与同类型仪器数据的比较,验证了外场红外光谱仪的定标精度与稳定性,为红外遥感的地物定标溯源提供支撑。